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1、,6.1 GPS概述,第六章 GPS控制测量,全球定位系统(GPS-Global Positioning System)是利用人造卫星进行地面定位的定位系统，是美国军方于1994年建立的第二代全球卫星导航系统。,速度快、精度高；(110-6 110-8) 全天候作业： 不需要点间通视； 能同时获得点的三维坐标； 观测时间短，仪器操作简单。,其它全球定位系统：俄罗斯的GLONASS、欧空局的Galileo、我国的“北斗”双星定位系统等。,GPS测量的优点：,第六章 GPS控制测量,一、GPS的系统组成,GPS由空间部分、监控部分和用户接收机三部分组成。,1空间部分,21+3颗（现有27颗）卫星组
2、成； 六个轨道面，高度约2万km； 运行周期11h58m； 任意时刻、任意地点均可观测4颗以上卫星。,第六章 GPS控制测量,卫星上装有原子钟（铷钟和铯钟）提供GPST时间系统； 发送两个频率载波信号，即：L1=1575.42MHz，其上带有1.023MHz的伪随机躁声码，称CA码（粗码，Coarse Code），10.23MHz的伪随机躁声码，称P码（精码，Precision Code）及每秒50bit的导航电文；L2=1227.6MHz载波,其上只调制精码和导航电文。,作用： 接收和储存由地面监控站发来的导航信息； 接收并执行地面监控站的控制指令，并经处理后控制自身轨道和工作状态； 连续不
3、断地发送导航定位的GPS信号。,第六章 GPS控制测量,2监控部分,第六章 GPS控制测量,监控站 监测卫星取得观测资料，算出每颗卫星的有关数据，传送给主控站。,主控站 根据监控站观测资料，计算每颗卫星的轨道参数和卫星钟改正数，推算一天以上的卫星星历和钟差，并转化为导航电文发给注入站。,注入站 在每颗卫星运行到上空时，把卫星星历、控制参数和指令注入到卫星存贮器。,第六章 GPS控制测量,3用户接收机,第六章 GPS控制测量,组成：天线、控制显示器、电缆、电源等部分组成。天线安放在整置于控制点的脚架上，接收卫星信号，在控制显示器上获得的是天线相位中心的三维坐标。,功能：是接受卫星发射的信号和导航
4、电文，根据导航电文提供的卫星位置和钟差信息计算接收机的位置。,种类：有单频和双频，导航型和定位型、低动态和高动态、伪距型和相位测量型等。,第六章 GPS控制测量,三部分关系,第六章 GPS控制测量,二、GPS坐标系统,GPS所用的坐标系统是WGS-84（Geodetic System1984）坐标系。 WGS-84坐标系与我国采用的坐标系定义不同。为了使用方便，一般要将GPS的WGS-84坐标系测量成果转换到54年北京坐标系或1980年国家大地坐标系。,三、GPS时间系统,由于GPS卫星的位置是随时间变化的。时间是GPS的一个重要观测量。为了精密导航和测量的需要，GPS建立了专用的时间系统，该
5、系统可简写为GPST，由GPS主控站的原子钟控制。,1、随机噪声码 ：为一二进制序列，每位1、0机率相等。 特点：具有良好的自相关性。相关系数：,2、伪随机噪声码：具有一定规则的二进制序列。 特点：接近随机噪声码特性。可以复制。,3、C/A码：属伪随机噪声码。 码长：1023bit,码元宽0.97752us(293.1m)，码率1.023Mbit/s,GPS的测距码信号：,4、P码：属伪随机噪声码。 码长：2.35*1014bit,码元宽0.097752us(29.31m)， 码率 10.23Mbit/s,周期267天。,四、GPS测距码信号,五、导航电文 包括卫星星历、卫星工作状态、时间系统
6、、轨道摄动参数、大气改正参数、P码捕获信息等。传输一次完整的导航电文约需12.5分。,第六章 GPS控制测量,按测定伪距的观测量有测码伪距法和测相伪距法。 1、测码伪距法,6.2 GPS绝对定位的基本原理：亦称伪距法定位，单点定位。,2、测相伪距法原理：,6.3 GPS相对定位,亦称差分定位，是通过测定两台接收机间的空间向量（即基线向量）实现的。两台（多台）接收机同时观测（相位法测量）相同的卫星，通过在观测量间求差，以消除卫星钟钟差、接收机钟差、整周整周未知数、气象误差等。 单差：两台接收机对同一卫星 的观测量之差。 双差：两个单差之差。 三差：两个双差之差。,第六章 GPS控制测量,6.4
7、GPS控制网的布设要求,用GPS布网具有速度快、精度高，不要求控制点间通视，对边长和图形结构没有限制，所获得点位的精度是均匀的等优点。所以GPS网的布设与常规控制网的布设有较大区别，布设中应注意下列问题。,一有足够的检核条件,GPS网的检核是通过同步环、重复基线和异步环的闭合差来实现的。,第六章 GPS控制测量,例：有6个控制点，用3台接收机,观测一个时段，则可以构成三个同步环和多个异步环。 若在某一边上，进行多个时段的观测还可以构成重复边。,第六章 GPS控制测量,二几何精度衰减因子要小,GPS定位精度与卫星的分布有关，即与几何精度衰减因子GDOP(Geometric Dilution of
8、 Precision)有关。 GDOP是个综合精度衰减因子，包括以下参数：,HDOP水平位置几何精度衰减因子； VDOP高程位置几何精度衰减因子； PDOP三维位置几何精度衰减因子； TDOP时钟几何精度衰减因子。,关系：GDOP2 = PDOP2 + TDOP2,PDOP2 = HDOP2 + VDOP2,第六章 GPS控制测量,GDOP与接收机和卫星组成的多面锥体的体积V有关， V愈大则PDOP越小，定位精度就越高。 GDOP值可根据观测地点和时间进行预报。 作业时接收机也可实时计算显示GDOP，一般要求GDOP8。,第六章 GPS控制测量,三GPS网与地面网应有一定数量的重合点,为把GP
9、S测得的坐标换算到当地的坐标系中，在GPS网中至少要有三个控制点与地面网点重合，重合点最好均匀地分布在网的边缘。,GPS可同时测定点的三维坐标，其所得高程为大地高，而我国采用的是正常高，为了统一到正常高高程系统，GPS网中要有一定数量的水准联测高程点。,第六章 GPS控制测量,四点位要避开产生多路径效应的地区,避开有反射作用的地形和物体，如光滑的墙壁和水面，以免产生多路径效应。 （能够抑制多路径效应的天线）,第六章 GPS控制测量,五防止信号受电磁波干扰和减弱大气折射的影响,任何强电磁场变化和强无线电信号，都会对卫星信号产生干扰，致使观测值信噪比降低和接收信号失锁，影响测量精度。由于环路失锁而
10、引起的信号周数丢失现象，叫做整周跳变，简称周跳。测站应离开高压电线200米以上，离大功率变电站、电视塔等在400米以上。,卫星信号穿过电离层和对流层时，会产生时间延迟。对于较长的基线，最好采用双频接收机，对于短基线用单频接收机测量，也能达到一定的精度。,高度太低的卫星信号受大气层折射影响很大，为了选择有利的星座位置，测站周围垂直角大于15的障碍物应该避开。,第六章 GPS控制测量,六其它要求,GPS网的边长视控制网要求而定，通常按国家E级网布设，边长变通范围为110km。相邻点间不要求通视，但为了用常规测量方法进行加密的需要，每点一般应与12个方向通视，通视的方向不一定是同步网的方向。有条件时
11、，可用电磁波测距仪测定几条边，以资检核。,第六章 GPS控制测量,6.6 GPS控制网的作业,技术设计,选点,埋石,仪器的检验和维护,观测实施,收集资料,上交资料,图上设计,一般检视,仪器检验,通电检验,仪器维护,第六章 GPS控制测量,观测实施,观测准备,连接接收机电缆，开机，初始化。 填写手簿项目，量取天线高。 天线定向标志线应指向正北，圆水准器气泡居中。,第六章 GPS控制测量,观测作业,（1）按操作说明设置接收机，于预定时刻开始观测。 （2）观测期间，操作员注意查看并记录仪器工作状态、测站信息、接收卫星数量等情况。 （3）观测时在测站附近不要发动汽车、发电机、使用电台，避免人员、牲畜在
12、天线附近走动。,（4）观测结束后认真检查所有规定作业项目，合限方可迁站。,第六章 GPS控制测量,上交资料,（1）仪器检验资料、观测计划等。 （2）观测记录。主要有观测记录文件等。 （3）测量手簿。 （4）平差计算报表,1、数据下载：将接收机的观测数据传输到计算机中； 2、基线向量的解算：利用载波相位观测量求解基线边的三维坐标增量。 软件通常由厂家提供。 3、三维自由网平差：取网中一点的单点定位结果作为网的必要起算数 据，以基线向量解算结果为观测量，进行平差计算，可得到点的W84坐标和基线向量。其主要目的是检验网的内部符合精度。 4、坐标转换或约束平差：经过自由网平差后，可到了点的W84三维坐
13、标。为了得到地方坐标，必须求定两个坐标系间的转换参数，参数有三个平移量、三个旋转量和一个尺度因子。转换模型常用布尔沙沃尔夫模型：,6.7 GPS网平差计算,参数的求定方法：利用网中一定数量的已知地方坐标点，按布尔沙沃尔夫模型建立误差方程式，按最小二乘法求解。 转换参数求定后，再将网中的其它点转换到地方坐标系中。 也可直接以基线向量为观测量，以地方已知坐标为起算数据，进行三维约束平差，直接解算出点的地方坐标和转换参数。,6.7 GPS网平差计算,实时动态RTK（Real Time Kinematic）作业介绍,1、系统组成：GPS接收设备、数据传输设备、软件。 2、工作原理：当基准站W84坐标已知时，基准站将载波相位观测量及基站坐标等信息，通过数据链传输到流动站，在流动站解算出两站间的基线向量和流动站的坐标，通过预置的转换参数，转换为地方坐标。 当基准站W84坐标未知时可采用其单点定位结果。此时，流动站应先在几个已知点上安置，测定出各点的W84坐标，计算转换参数。,参考站,参考站GPS天线和电台,参考站GPS接收机,移动站,移动站接收机和天线,